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1、第一章 走进生命科学2121世纪是生命科学的世纪世纪是生命科学的世纪2020世纪世纪30-5030-50年代年代 核能的开发和利用核能的开发和利用2020世纪世纪50-7050-70年代年代 航空航天技术的研究航空航天技术的研究2020世纪世纪8080年代以后年代以后 生命科学、信息科学生命科学、信息科学 曼哈顿计划曼哈顿计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划人类基因组计划人类基因组计划第一节第一节 走进生命科学的世纪走进生命科学的世纪1.生命科学发展简史生命科学发展简史2.展望生命科学新世纪展望生命科学新世纪1 1、生命科学发展简史、生命科学发展简史l古代生命科学古代生命科学l近代西方近代西方l现
2、代生命科学现代生命科学生命科学的研究手段生命科学的研究手段早期：早期：描述法和比较法描述法和比较法现代：现代：实验法实验法生命科学的研究方向生命科学的研究方向微观微观和和宏观宏观两个方向同两个方向同时发展时发展我国是世界上最早研究和利用动植物和真我国是世界上最早研究和利用动植物和真菌的国家菌的国家春秋时代的春秋时代的诗经诗经已经记载动已经记载动植物达植物达200多种。多种。诗经诗经我国是世界上最早研究和利用动植物和真我国是世界上最早研究和利用动植物和真菌的国家菌的国家贾思勰（北魏）贾思勰（北魏）齐民要术齐民要术齐民要术齐民要术是我国现存是我国现存最早的一部农学著作，是最早的一部农学著作，是我国
3、古代我国古代“四大农书四大农书”之之一，受到国内外专家的广一，受到国内外专家的广泛重视和高度评价。该书泛重视和高度评价。该书总结了人工选择、人工杂总结了人工选择、人工杂交、定向培育的科学原理交、定向培育的科学原理和方法和方法我国是世界上最早研究和利用动植物和真我国是世界上最早研究和利用动植物和真菌的国家菌的国家本草纲目本草纲目李时珍（明代）李时珍（明代）本草纲目本草纲目共有共有52卷，既是一本医药学著作，又是一本生物学卷，既是一本医药学著作，又是一本生物学巨著。载有药物巨著。载有药物1892种，记载了可供药用的种，记载了可供药用的1094种植物和种植物和444种种动物，其中载有新药动物，其中载
4、有新药374种，收集药方种，收集药方11096个，书中还绘制了个，书中还绘制了1111幅精美的插图，是我国医药宝库中的一份珍贵遗产。幅精美的插图，是我国医药宝库中的一份珍贵遗产。西方对生命科学的研究始于古希腊和古罗西方对生命科学的研究始于古希腊和古罗马时代马时代古希腊的亚里士多德古希腊的亚里士多德对动植物进行过广泛对动植物进行过广泛的观察的观察古罗马医师盖伦用牛、羊、狗和猴等动物古罗马医师盖伦用牛、羊、狗和猴等动物为材料，进行内部器官的解剖，并得出人为材料，进行内部器官的解剖，并得出人体内部结构与这些动物相似的推论体内部结构与这些动物相似的推论1717世纪显微镜的发明和细胞发现世纪显微镜的发明
5、和细胞发现1665年，英国的物理学家年，英国的物理学家罗伯特罗伯特胡克（胡克（Robert Hooke, 16351703）用）用自己设计并制造的显微镜自己设计并制造的显微镜观察栎树软木塞切片时发观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如现其中有许多小室，状如蜂窝，称为蜂窝，称为“cella”，这是这是人类第一次发现细胞人类第一次发现细胞，不过，胡克发现的只是不过，胡克发现的只是死死的细胞壁的细胞壁。胡克的发现对。胡克的发现对细胞学的建立和发展具有细胞学的建立和发展具有开创性的意义，其后，生开创性的意义，其后，生物学家就用物学家就用“cell”一词一词来描述生物体的基本结构。来描述生物体的基
6、本结构。 1604年，荷兰眼镜商年，荷兰眼镜商詹森发明了世界上第詹森发明了世界上第一台显微镜一台显微镜罗伯特罗伯特胡克用自制的胡克用自制的显微镜第一次观察到细显微镜第一次观察到细胞胞18世纪林耐创立生物分类法则世纪林耐创立生物分类法则18世纪世纪瑞典博物学家林耐瑞典博物学家林耐创立了创立了“生物分类法则生物分类法则”，制定了生物，制定了生物命名的方法，对生物分类的发展命名的方法，对生物分类的发展起了重要作用。起了重要作用。细胞学说细胞学说19世纪自然科学三大发现之一世纪自然科学三大发现之一1838-1839年，德国植物学年，德国植物学家施莱登和动物学家施旺提家施莱登和动物学家施旺提出了出了细胞
7、学说细胞学说。细胞学说的主要内容是：所细胞学说的主要内容是：所有生物都是由细胞构成的，有生物都是由细胞构成的，细胞是生物体结构和功能的细胞是生物体结构和功能的基本单位，所有的细胞都来基本单位，所有的细胞都来自于细胞。自于细胞。细胞学说被恩格斯誉为细胞学说被恩格斯誉为19世世纪自然科学三大发现之一。纪自然科学三大发现之一。生物进化论生物进化论19世纪自然科学三大发现世纪自然科学三大发现之一之一1859年，英国博物学家达年，英国博物学家达尔文发表了尔文发表了物种起源物种起源一书，详细阐述了进化论一书，详细阐述了进化论的有关证据和论点，生物的有关证据和论点，生物进化论被恩格斯誉为进化论被恩格斯誉为1
8、9世世纪自然科学三大发现之一。纪自然科学三大发现之一。生物遗传规律的发现生物遗传规律的发现1865年奥地利遗传学家孟德尔用年奥地利遗传学家孟德尔用豌豆杂交实验豌豆杂交实验揭示了生揭示了生物遗传的基本规律。孟德尔被称为遗传学之父。物遗传的基本规律。孟德尔被称为遗传学之父。生物遗传规律的发现生物遗传规律的发现1910年，美国遗传学家摩尔根用果蝇为实验材料，进年，美国遗传学家摩尔根用果蝇为实验材料，进一步揭示了遗传机制。一步揭示了遗传机制。微观领域微观领域分子生物学的建立分子生物学的建立1953年，美国生物学家沃森和英国生物物理学家克里克提出了年，美国生物学家沃森和英国生物物理学家克里克提出了DNA
9、双螺旋结构分子模型双螺旋结构分子模型，从此将生命科学研究引入到分子水平，从此将生命科学研究引入到分子水平的新阶段，并为现代生物技术的形成和发展奠定了基础。的新阶段，并为现代生物技术的形成和发展奠定了基础。我国科学家的杰出贡献我国科学家的杰出贡献我国科学家成功合成了我国科学家成功合成了结晶牛胰岛素结晶牛胰岛素和和酵母丙氨酸酵母丙氨酸转移核糖核酸，转移核糖核酸，突破了一般有机物和生物大分子的界限，突破了一般有机物和生物大分子的界限，带来了人工合成生命的曙光，打破了生命神创论，揭示带来了人工合成生命的曙光，打破了生命神创论，揭示了生命与非生命物质的统一性。了生命与非生命物质的统一性。宏观领域宏观领域
10、生态学生态学逐渐兴起逐渐兴起生态学是一门综合探讨个体和群体、生物和环境之间相互关系生态学是一门综合探讨个体和群体、生物和环境之间相互关系的学科的学科克隆羊克隆羊“多利多利”的培育的培育1997年，英国年，英国科学家成功地科学家成功地培育出克隆羊培育出克隆羊“多利多利”，这，这是人类采用高是人类采用高度分化的体细度分化的体细胞克隆动物的胞克隆动物的重大突破。重大突破。干细胞的研究干细胞的研究l干细胞是在生命的成长和发育过程中起干细胞是在生命的成长和发育过程中起“主干主干”作用的细胞。它的特点是既能通过分裂自我作用的细胞。它的特点是既能通过分裂自我更新，又能分化，具有再生各种组织器官的潜更新，又能
11、分化，具有再生各种组织器官的潜在功能。在功能。l干细胞可分为三类：干细胞可分为三类：全能干细胞全能干细胞多能干细胞多能干细胞单能干细胞单能干细胞科学家首次用干细胞培育出万能血型科学家首次用干细胞培育出万能血型(图图) 人类基因组计划人类基因组计划 人类人类基因组计划基因组计划(human genome project, HGP)是由是由美国美国科学家于科学家于1985年率先提年率先提出，于出，于1990年正式启动的。年正式启动的。美国、美国、英国、法国、德国、日英国、法国、德国、日本本和我国科学家共同参与了这和我国科学家共同参与了这一价值达一价值达30亿美元的人类基因亿美元的人类基因组计划。这
12、一计划旨在为组计划。这一计划旨在为30亿亿个个碱基碱基对对构成的人类基因组精构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并确测序，发现所有人类基因并搞清其在搞清其在染色体染色体上的位置，破上的位置，破译人类全部译人类全部遗传信息遗传信息。与曼哈。与曼哈顿原子弹计划和顿原子弹计划和阿波罗计划阿波罗计划并并称为三大科学计划。称为三大科学计划。中国承担中国承担1%项目项目(3号染色体号染色体3000万个万个碱基对碱基对) 水稻基因组计划水稻基因组计划2000年年5月，我国科学家以月，我国科学家以“杂交水稻杂交水稻之父之父”袁隆平袁隆平培育出的超级杂交稻为材培育出的超级杂交稻为材料，实施料，实施“水稻基
13、因组计划水稻基因组计划”。2001年年10月完成水稻月完成水稻“工作框架图工作框架图”。2002年年4月月4日，中国科学院和美国日，中国科学院和美国科学科学杂志在北京联合宣布，中国科杂志在北京联合宣布，中国科学家绘制完成全世界第一张水稻全基因学家绘制完成全世界第一张水稻全基因组框架序列图，从而使人类第一次在基组框架序列图，从而使人类第一次在基因组层面认识水稻。因组层面认识水稻。籼稻基因组的总基因序列有籼稻基因组的总基因序列有4.66亿碱基亿碱基对，这是继人类基因组之后，迄今所测对，这是继人类基因组之后，迄今所测定的最大的植物基因组。定的最大的植物基因组。2 2、展望生命科学新世纪、展望生命科学
14、新世纪l后基因组学后基因组学l转基因技术转基因技术l基因治疗基因治疗l生物多样性保护生物多样性保护l脑科学脑科学后基因组学后基因组学l后基因组学主要包括功能基因组后基因组学主要包括功能基因组学、蛋白质组学和结构基因组学。学、蛋白质组学和结构基因组学。l由全套基因组编码控制的蛋白质由全套基因组编码控制的蛋白质称为蛋白质组。称为蛋白质组。l绘制人类蛋白质图谱，研究每一绘制人类蛋白质图谱，研究每一种蛋白质的生物学功能，研究蛋种蛋白质的生物学功能，研究蛋白质结构与功能的关系。白质结构与功能的关系。转基因技术转基因技术荧光鼠荧光鼠抗早熟转抗早熟转基因番茄基因番茄基因治疗基因治疗世界上首例基因治疗患者世界
15、上首例基因治疗患者基因治疗基因治疗是向靶细胞或是向靶细胞或组织中引入外源基因组织中引入外源基因DNADNA或或RNARNA片段，以纠正片段，以纠正或补偿靶细胞或组织的或补偿靶细胞或组织的基因缺陷，关闭或抑制基因缺陷，关闭或抑制异常表达的基因，从而异常表达的基因，从而达到治疗的目的。达到治疗的目的。生物多样性保护生物多样性保护吉林长白山自然保护区吉林长白山自然保护区保护完整保护完整的森林生态系统。珍稀植物有人参、红松的森林生态系统。珍稀植物有人参、红松等。珍稀动物有梅花鹿、东北虎等。等。珍稀动物有梅花鹿、东北虎等。青海湖鸟岛自然保护区青海湖鸟岛自然保护区保护斑头雁、棕头鸥等鸟类保护斑头雁、棕头鸥
16、等鸟类及它们的生存环境。及它们的生存环境。脑科学脑科学l日常生活中的睡眠与觉醒、情绪和行为、日常生活中的睡眠与觉醒、情绪和行为、学习和记忆都是脑活动的结果。学习和记忆都是脑活动的结果。l许多与神经系统损伤或脑功能失调有关的许多与神经系统损伤或脑功能失调有关的疾病，如截瘫、阿尔茨海默病（早老性痴疾病，如截瘫、阿尔茨海默病（早老性痴呆症）、帕金森病等，严重危害人类健康呆症）、帕金森病等，严重危害人类健康甚至生命。甚至生命。l通过细胞及分子水平上的认识与行为水平通过细胞及分子水平上的认识与行为水平上的分析相联系，有可能揭示脑的神经计上的分析相联系，有可能揭示脑的神经计算原理，为计算机和人工智能提供新
17、的设算原理，为计算机和人工智能提供新的设计思路。计思路。l脑科学从分子水平、细胞水平、行为水平脑科学从分子水平、细胞水平、行为水平研究自然智能机理，建立脑模型，揭示人研究自然智能机理，建立脑模型，揭示人脑本质。脑本质。什么是生命科学？什么是生命科学？生命科学生命科学是以生命为是以生命为研究对象的科学和技研究对象的科学和技术的总称，它是研究术的总称，它是研究生命活动（生命活动（Life Life actionaction）及其规律的）及其规律的科学，并涉及到医学、科学，并涉及到医学、农学、健康、环境等农学、健康、环境等领域。领域。什么是生命？什么是生命？l生命是由生命是由核酸和蛋白质核酸和蛋白质
18、等物质组成的多分子等物质组成的多分子体系，它具有不断体系，它具有不断自我更新自我更新，繁殖后代繁殖后代以及以及对外界刺激产生反应的能力对外界刺激产生反应的能力l生命的特征生命的特征 化学成分的同一性化学成分的同一性 严整有序的结构严整有序的结构 新陈代谢新陈代谢 生长发育生长发育 遗传和繁殖能力遗传和繁殖能力 应激能力应激能力 进化进化美科学家发现美科学家发现能抑制能抑制91%艾滋病病毒超级抗体艾滋病病毒超级抗体 以美国国家过敏及传染病研以美国国家过敏及传染病研究院（究院（NIAID）为首的科研）为首的科研团队近期发现了能抑制团队近期发现了能抑制91%艾滋病病毒的超级抗体，科艾滋病病毒的超级抗
19、体，科学家称有望生产出首个有效学家称有望生产出首个有效地艾滋病疫苗。艾滋病病毒地艾滋病疫苗。艾滋病病毒很难消灭的一个原因是它会很难消灭的一个原因是它会不断地发生变异，人的免疫不断地发生变异，人的免疫系统和药物只能很被动的去系统和药物只能很被动的去追这个游离不定的目标。追这个游离不定的目标。“超级细菌超级细菌”引发的思考引发的思考近日有报道称，一些赴印度接受治疗的患近日有报道称，一些赴印度接受治疗的患者感染了一种新型超级细菌，其含有一种者感染了一种新型超级细菌，其含有一种叫叫NDM-1（新德里金属蛋白酶（新德里金属蛋白酶-1）的基因。）的基因。目前，这种变种超级细菌已经传播到英国、目前，这种变种
20、超级细菌已经传播到英国、美国、加拿大、澳大利亚、荷兰等国家，美国、加拿大、澳大利亚、荷兰等国家，并有可能在全世界范围内进一步蔓延。并有可能在全世界范围内进一步蔓延。 滥用抗生素惹的祸！滥用抗生素惹的祸！圣元奶粉与圣元奶粉与“早熟门早熟门”事件事件圣元奶粉被疑致女婴性早熟近日来，圣元奶粉被疑致女婴性早熟近日来，全国多地发现婴儿性早熟的现象，全国多地发现婴儿性早熟的现象，最小的受害婴儿仅为三个月大。这最小的受害婴儿仅为三个月大。这些婴儿或体内雌激素检测超标，或些婴儿或体内雌激素检测超标，或乳房提前发育，出现硬块，或外阴乳房提前发育，出现硬块，或外阴充血，出现阴道炎的症状。而这些充血，出现阴道炎的症
21、状。而这些婴儿都曾经或正在食用圣元品牌的婴儿都曾经或正在食用圣元品牌的奶粉，因此圣元奶粉被怀疑添加了奶粉，因此圣元奶粉被怀疑添加了激素成分。目前，卫生部表示对此激素成分。目前，卫生部表示对此事件高度重视，已经责成专门领导事件高度重视，已经责成专门领导小组进行调查处理。农业部门也已小组进行调查处理。农业部门也已制定了奶粉中雌激素的检测方法和制定了奶粉中雌激素的检测方法和标准，并即将公布。标准，并即将公布。克隆牛肉和牛奶已经小克隆牛肉和牛奶已经小规模进入欧美市场规模进入欧美市场牛肉一直是人们餐桌上的美食。但现在，牛肉也牛肉一直是人们餐桌上的美食。但现在，牛肉也可能重新走下餐桌，走回农场。最近美国科
22、学家从可能重新走下餐桌，走回农场。最近美国科学家从屠宰的牛肉中提取出了细胞，准备用于克隆研究。屠宰的牛肉中提取出了细胞，准备用于克隆研究。而大西洋彼岸的英国人也不甘示弱，撇开了可能造而大西洋彼岸的英国人也不甘示弱，撇开了可能造成的巨大伦理争议，加入到牛肉成的巨大伦理争议，加入到牛肉“复活计划复活计划”的研的研究队伍中。究队伍中。英国许多专家认为，这一计划会带来许多伦理英国许多专家认为，这一计划会带来许多伦理和动物福利方面的问题。大规模的克隆可能会对和动物福利方面的问题。大规模的克隆可能会对动物造成伤害，现在已经有证据表明克隆会造成动物造成伤害，现在已经有证据表明克隆会造成动物流产、寿命缩短、器
23、官畸形、肥大症、难产动物流产、寿命缩短、器官畸形、肥大症、难产等。等。同时也有不少科学家认为，与传统牲畜制品同时也有不少科学家认为，与传统牲畜制品相比，在实验室中制造出来的人造牛排和香肠，相比，在实验室中制造出来的人造牛排和香肠，对环境更加友好。对环境更加友好。科学界对此众说纷纭，但现在最大的问题是，科学界对此众说纷纭，但现在最大的问题是，克隆食品上市之后，百姓究竟会不会买账。克隆食品上市之后，百姓究竟会不会买账。http:/http:/http:/http:/http:/生命科学相关网址生命科学相关网址第二节第二节 走进生命科学实验室走进生命科学实验室达尔文达尔文我的成功不管多大，我的成功不
24、管多大，我认为重要的一点是：我认为重要的一点是：爱科学，在长期思考爱科学，在长期思考任何问题上的无限耐任何问题上的无限耐心，在观察和实验上心，在观察和实验上的勤奋。的勤奋。1.生命科学研究的基本步骤生命科学研究的基本步骤2.生命科学实验的基本要求生命科学实验的基本要求3.细胞的观察和测量细胞的观察和测量学习内容学习内容1 1、生命科学探究的基本步骤、生命科学探究的基本步骤l柳条鱼实验柳条鱼实验l“库鲁病库鲁病”病原体的发现病原体的发现柳条鱼产仔实验柳条鱼产仔实验为什么柳条鱼在为什么柳条鱼在4月中旬产仔？月中旬产仔？假设假设1：水温升高：水温升高假设假设2：日照延长：日照延长实验方案实验方案1实
25、验方案实验方案2实验中观察、记录实验中观察、记录分析数据分析数据水温升高引水温升高引起柳条鱼开起柳条鱼开始产仔始产仔其他因素？其他因素？进一步探究进一步探究设计实验设计实验时要控制时要控制单一变量单一变量“库鲁病库鲁病”病原体的发现病原体的发现l假设假设“库鲁病库鲁病”是由蛋白质引起的。如果是由蛋白质引起的。如果“库库鲁病鲁病”是由蛋白质引起的，那么把从是由蛋白质引起的，那么把从“库鲁病库鲁病”患者的脑组织提取的蛋白质注入健康猩猩的患者的脑组织提取的蛋白质注入健康猩猩的脑部，就会使这只猩猩发病。脑部，就会使这只猩猩发病。l证明实验的可靠性和可重复性。证明实验的可靠性和可重复性。l科学实验是从发
26、现问题开始的，在发现问题以科学实验是从发现问题开始的，在发现问题以后，要大胆地提出假设，通过观察和实验验证后，要大胆地提出假设，通过观察和实验验证假设，并用具有重复性的实验进行验证，直至假设，并用具有重复性的实验进行验证，直至得出结论。科学实验是艰苦而富有创造性的。得出结论。科学实验是艰苦而富有创造性的。生命科学探究活动的基本步骤生命科学探究活动的基本步骤学习或生活实际学习或生活实际提出疑问提出疑问提出假设提出假设设计实验设计实验实施实验实施实验分析数据分析数据得出结论得出结论解答疑问解答疑问新的疑问新的疑问进一步探究进一步探究文献文献实验设计的原则实验设计的原则l等量原则l单一变量原则l设计
27、对照原则l可操作原则l平行重复原则l随机性原则2 2、生命科学实验的基本要求、生命科学实验的基本要求带着问题学习带着问题学习了解方法和步骤了解方法和步骤做好观察和记录做好观察和记录及时处理数据及时处理数据做好讨论和实验报告做好讨论和实验报告重视观察和实验重视观察和实验练练手练练手l1、当盖都塞克发现作为实验的猩猩发病后，再用其他正常猩猩做同样的实验，其目的是遵循生命科学的 （ ） A 、一致性原则 B、完整性原则 C、对照性原则 D、重复性原则l2、设计实验时必须只改变一个因素，其他因素保持不变，然后进行实验，这样逐一比较后，才能确定真正的影响因素，这体现了科学的 原则。 A、单一变量 B、完
28、整性 C、重复性 D、一致性3 3、细胞的观察和测量、细胞的观察和测量l显微镜的构造和使用方法显微镜的构造和使用方法l显微测微尺的使用方法显微测微尺的使用方法l保卫细胞大小的测量保卫细胞大小的测量一、光学显微镜的结构 机械部分：机械部分： 镜座镜座 镜柱镜柱 镜臂镜臂 镜筒镜筒 转换器转换器 载物台载物台 通光孔，通光孔， 弹簧夹片弹簧夹片 调节器（粗、细）调节器（粗、细）光学部分光学部分： 目镜目镜 物镜（低倍镜、高倍镜）物镜（低倍镜、高倍镜）照明部分：照明部分： 聚光器、光圈聚光器、光圈 反光镜（平面、凹面，角度）反光镜（平面、凹面，角度） 光源光源显微镜的光学部分最为重要。使用过程中不能
29、用手指扳物镜显微镜的光学部分最为重要。使用过程中不能用手指扳物镜镜头；转动转换器时切勿用力过猛；只能用擦镜纸擦拭镜头；转动转换器时切勿用力过猛；只能用擦镜纸擦拭。目镜测微尺目镜测微尺物镜测微尺物镜测微尺显微测微尺显微测微尺保卫细胞大小的测量保卫细胞大小的测量思考题：思考题：1.在实验和观察过程中在实验和观察过程中存在哪些影响试验结存在哪些影响试验结果精确性的因素？果精确性的因素？2.保卫细胞的大小都一保卫细胞的大小都一致吗？致吗？蚕豆叶下表皮蚕豆叶下表皮影响结果精确性的因素影响结果精确性的因素l当显微镜教具没有条准时，显微测微尺的标尺当显微镜教具没有条准时，显微测微尺的标尺刻度线会有粗细变化，从而影响测量结果。刻度线会有粗细变化，从而影响测量结果。l初次练习时，由于操作不够熟练或不够仔细，初次练习时，由于操作不够熟练或不够仔细，可能造成测量误差。可能造成测量误差。保卫细胞的大小是否一致？保卫细胞的大小是否一致？l保卫细胞的大小是不一致的。保卫细胞的大小是不一致的。l由于细胞生长程度不同，叶片年龄不同，保卫由于细胞生长程度不同，叶片年龄不同，保卫细胞之间存在长与宽的差异。每个细胞的大小细胞之间存在长与宽的差异。每个细胞的大小不可能完全一致。不可能完全一致。l另外，气孔打开程度不同，也会引起其大小的另外，气孔打开程度不同，也会引起其大小的差别。差别。
